Частотно-широтно-импульсный терморегулятор сушильной камеры с непрерывным тестированием сопротивления изоляции электротехнического изделия

Простота управления в сочетании с повышенной точностью, помехоустойчивостью и способностью адаптироваться к нестационарным параметрам источников электропитания является одной из наиболее актуальных проблем в силовой преобразовательной технике. Это в полной мере относится к системам переменного тока с частотно-широтноимпульсным управлением (ЧШИМ), которые весьма эффективны в системах терморегулирования [1]. Однако при их технической реализации зачастую возникают проблемы с обеспечением целого числа периодов напряжения сети в «пакете», подаваемом в нагрузку. Трудность заключается в том, что при ЧШИМ один из интервалов преобразования с ростом входного сигнала стремится к бесконечно большой величине, которую невозможно представить в цифровом виде. Поэтому на практике часто применяются цифровые ЧШИМ -регуляторы с ограниченным диапазоном регулирования.

Ниже на примере системы управления сушильной камеры 120ЕК электроцеха ОАО «ЧТПЗ» рассматривается регулятор напряжения (РН) с ЧШИМ на основе комбинированной цифроаналоговой системы управления, которая наряду с простотой технической реализации имеет высокую точность и помехоустойчивость как по информационным каналам передачи данных, так и со стороны напряжения сети (рис. 1).

Функциональная схема системы управления (рис. 1) включает в себя непосредственно сушильную камеру СК с электротехническим изделием ЭИ (дроссель, трансформатор, электродвигатель и т. д.); теплоэлектронагреватели ТЭН, распределенные по фазам А, В, С; регулятор напряжения РН на основе программируемого контроллера ПК, интегрирующий развертывающий преобразователь РП с ЧШИМ и силовыми тиристорными ключами переменного тока; датчик температуры Дt; преобразователь значения комплексного сопротивления изоляции обмоток ЭИ; мультиплексор MUX; демультиплексор DMUX и внешнюю панель управления «Старт/Стоп» обслуживающего персонала. Тактовая частота MUX и DMUX синхронизирована с ПК.

РН (рис. 2) содержит РП на основе четырехполюсников К1, К2, сумматора Σ, интегратора И с постоянной времени Т_И , релейного элемента РЭ и повторителя П, устройства синхронизации УС-А, УС-В, УС-С, динамические D-триггеры D1, D2, D3 и силовые ключи переменного тока Кл.1 – Кл.3. РЭ выполнен с симметричными относительно нулевого уровня порогами переключения ± b , а его выходной сигнал меняется дискретно в пределах ± А .

С помощью звеньев К1, К2 задается требуемый коэффициент передачи РП. Повторитель П служит для преобразования биполярных выходных импульсов РЭ в однополярный сигнал, необходимый для последующего согласования с элементами цифровой электроники. Частота автоколебаний РП выбирается на уровне 1,0–10,0 Гц.

Три устройства синхронизации УС-А, УС-В, УС-С реализованы на базе двух последовательно включенных РП1 и РП2 [2] (на рис. 2 не показаны) и представляют собой УС интегрирующего типа, когда каждый из РП представляет собой систему, синхронизированную с частотой сигнала, подключенного к его информационному входу. С точки зрения динамики, в режиме вынужденных переключений с частотой напряжения сети каналы УС-А, УС-В, УС-С близки по своим свойствам к апериодическому звену второго порядка с передаточной функцией вида [2]

W ( p ) - K 1 K ₂/[(1 + Т э 1 р )(1 + Т э 2 р )], (1) где K ₁, K ₂ – коэффициенты пропорционального усиления, задаваемые четырехполюсниками K1, К2 преобразователей РП1, РП2 соответственно; Т Э 1 = л Т С А С К 1 /16 - эквивалентная постоянная времени РП1; Т Э ₂ = л Т С К ₂/16 - эквивалентная постоянная времени РП2; Т_С – период напряжения сети; А С = А / А - нормированное значение амплитуды напряжения сети. Здесь следует учитывать, что соотношение (1) справедливо только в области частот f <  0,5Т ^ [3].

При выполнении условия Т 0"¹ = Т" ^ каждый из РП1, РП2 создает фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами –90 эл. град. Здесь Т о = 4 ЬТ И - период собственных автоколебаний РП при нулевом значении сигнала управления; b = b / A\ - нормированная величина порогов переключения РЭ.

Таким образом, два последовательно включенных РП позволяют сформировать сигнал «1», длительность которого соответствует «положительной» полуволне напряжения сети соответствующей фазы (рис. 3, а – г).

При этом УС обладает высокой помехоустойчивостью как к гармоническим, так и к коммутационным помехам со стороны напряжения сети,

Рис. 1. Функциональная схема системы управления сушильной камеры 120ЕК электроцеха ОАО «ЧТПЗ»

А

Сеть

С

РП

И

РЭ

П

Вхо д

Тр

D1

t УС-А

D

> УС-В

D2

D

* УС-С

D3

D

Рис. 2. Функциональная схема системы управления силовыми ключами регулятора переменного напряжения с ЧШИМ

Кл.1

Кл.2

Кл.3

Выходы

c тэн

причем для четных гармоник ошибка синхронизации вообще равна нулю [2]. Аналогичный эффект проявляется и при колебаниях амплитуды напряжения сети, что является прямым следствием замкнутого характера структуры РП1, РП2 и наличия интегратора И в прямом канале регулирования.

Триггеры D1–D3 управляются передним фронтом импульсов на их С-входе и переключаются в состояние D-входа, которое задается РП (рис. 3, д, е). При этом на выходе РН в каждой фазе а, b, c формируется «пакет» синусоидального напряжения с целым числом периодов (рис. 3, ж – и). Следует учитывать, что «пакеты» в каждой последующей фазе отстают от «пакета» предыдущей фазы на 150 эл. град.

Применение режима ЧШИМ позволяет существенно улучшить энергетические показатели системы управления и для силовых ключей получить фактически неограниченный диапазон регулирования. Действительно, при щиротно-импульсной модуляции (ШИМ) t 1 = Т (1 + X _ВХ), t 2 = T (1 - X ВХ ) и период Т 0 = t 1 + 1 2 = 2Т , где

« Т » – в общем случае параметр схемы ШИМ или ЧШИМ, имеющий размерность времени; Х ВХ = Х ВХ / А\ — нормированная величина входного сигнала.

В случае ЧШИМ t 1 = T /(1 - X ВХ ), t ₂ = Т /(1 + X ВХ ), Т 0 = 2 Т /(1 - Х ВХ ). Тогда диапазон регулирования D = 1 ₂/ Т ₀ = 0,5(1 - Х ВХ ) для силовых ключей при ШИМ заведомо определяется величиной входного сигнала Х _ВХ , так как D не может быть р авен нулю, а для ЧШИМ D = 1 2 / Т ₀ = 0,5/(1 - Х ВХ ) практически неограничен. Приведенные соотношения не учитывают дискретность РН, которая равна одному периоду напряжения сети.

На программируемый контроллер ПК (см. рис. 1) возлагается функция задатчика интенсивности вывода системы на заданную траекторию, ПИД-регулятора, а также D-триггеров D1 – D3 (см. рис. 2), устройства диагностирования, защиты системы от аварийных режимов ра-

• а)    0

• б)    0в)    0г)    0

b

• д)    0

  -b

• е)    0ж)    0

  з)    0и)    0

Сеть А, В, С

Выход УС-А 1

t

Имп ульсы выкл ючен ия К1-К3

Имп ул ьсы включения К1-К3

Выход УС-В

Выход УС-С

Выход И

Выход РЭ

Выход D1

Выход D2

Выход D3

В ыход «с »

Рис. 3. Временные диаграммы сигналов регулятора переменного напряжения с частотно-широтно-импульсной модуляцией

Выход П

Выход «а»

Выход «b»

t

t

t

t

t

t

t

боты и связи с центральной ЭВМ (на рис. 1 не показана).

В процессе работы СК осуществляется непрерывный контроль комплексного сопротивления Z 0 изоляции обмоток ЭИ с помощью преобразователя сопротивления в частоту импульсов ПСЧ (рис. 4, а), который содержит сумматор 2, интегратор И, релейный элемент РЭ и амплитудный модулятор АМ, выходной сигнал которого в качестве тест-сигнала воздействует на ЭИ.

ПСЧ относится к классу систем с амплитудно-частотно-импульсной модуляцией [4], где входной параметр Z ₀ с целью повышения чувствительности устройства воздействует на две его координаты - постоянную времени интегратора И и пороги переключения (зону неоднозначности) РЭ.

Чувствительным элементом датчика температуры Дt является термопара, а устройством преобразования - интегрирующий преобразователь аналогового сигнала в частоту импульсов на основе структуры, приведенной в работе [5].

Применение в рассмотренной системе управления методов интегрирующего разверты- вающего преобразования позволило обеспечить высокий уровень ее эксплуатационной надежности в условиях нестационарных параметров напряжения сети и широкого частотного спектра внешних помех.